Zakłócenia GPS: dlaczego sygnał tak łatwo zagłuszyć?

Sygnał GPS łatwo zagłuszyć, ponieważ pokonuje około 20 tysięcy kilometrów z orbity i dociera na ziemię słabszy niż szum tła, więc nawet niewielki nadajnik zakłócający potrafi go przykryć w swojej okolicy. To dobra wiadomość dla fizyków, bo mamy o czym rozmawiać, i zła dla użytkowników, bo słaby sygnał jest podatny na zakłócenia. Odpowiedzi na typowe pytania o to, jak działa mapa tych zjawisk, zebrano pod adresem czystygps.pl/faq.

Kluczowe fakty

• Satelity GPS krążą na wysokości około 20 200 kilometrów, więc ich sygnał na ziemi jest bardzo słaby.
• Odbiornik odzyskuje sygnał spod szumu dzięki kodom pseudolosowym, ale ta sztuczka nie pomaga, gdy zakłócenie jest dużo silniejsze.
• Jamming to szum przykrywający sygnał, a spoofing to sygnał imitujący satelity, więc mają inną fizykę i inny sposób obrony.
• Zakłócenia naziemne mają ograniczony zasięg, dlatego pomiary przy ziemi opisują je lepiej niż dane z dużej wysokości.

Dlaczego sygnał z orbity jest tak słaby?

Satelita ma ograniczoną moc, a jego sygnał rozchodzi się we wszystkich kierunkach, więc im dalej od nadajnika, tym mniej energii przypada na jednostkę powierzchni. Po drodze przez kilkanaście tysięcy kilometrów i atmosferę do anteny dociera śladowa jej część. Dlatego antena w telefonie odbiera sygnał, który jest słabszy od naturalnego szumu radiowego otoczenia.

Jak odbiornik wydobywa sygnał spod szumu?

Każdy satelita nadaje swój unikalny kod pseudolosowy, a odbiornik zna go z góry. Mnoży to, co odebrał, przez kopię kodu i szuka momentu, w którym wszystko się zgadza. Dopiero wtedy sygnał użyteczny wyrasta ponad szum, a informacja o czasie staje się czytelna. To technika rozpraszania widma, wspólna dla wielu systemów łączności.

Ma ona jednak granicę. Jeśli zakłócenie jest znacznie silniejsze, odbiornik nie ma już czego dopasować i traci pozycję.

Co fizycznie robi zagłuszarka?

Zagłuszarka nadaje szum w tym samym paśmie, na którym pracują satelity. Dla cywilnego GPS to między innymi częstotliwość 1575,42 MHz. Mechanizm jest podobny do zagłuszania stacji radiowej: silniejszy sygnał zakłócający przykrywa słabszy użyteczny. Zasięg zależy od mocy nadajnika, ukształtowania terenu i wysokości anteny, a przy ziemi zwykle ogranicza go widoczność w linii prostej.

A spoofing, czyli fałszowanie?

Spoofing wymaga więcej wysiłku, bo nadajnik musi imitować sygnały satelitarne tak, by odbiornik uznał je za prawdziwe, i zwykle musi być silniejszy od oryginału. Odbiornik nie traci wtedy sygnału, tylko dostaje błędne dane o pozycji lub czasie. Z perspektywy użytkownika to groźniejszy scenariusz, bo nic nie wskazuje na awarię.

Jak odbiorniki się bronią?

Zaawansowane urządzenia korzystają z kilku systemów i częstotliwości, porównują sygnały z różnych kierunków i weryfikują pozycję czujnikami inercyjnymi. Zwykły telefon ma mniej możliwości, ale i on potrafi wspierać się siecią komórkową oraz Wi-Fi, a aplikacje mogą odrzucać skoki pozycji, które łamią prawa fizyki.

Co z tego wynika dla mapy zakłóceń?

Skoro zakłócenia przy ziemi mają ograniczony zasięg, ważne jest, gdzie mierzymy. Samolot na wysokości przelotowej widzi daleko ponad horyzont i może zauważyć zjawisko, którego człowiek na ziemi nie odczuje wcale, a bywa też odwrotnie. Dlatego czystyGPS opiera się przede wszystkim na danych naziemnych: stacjach GNSS (ASG-EUPOS i RTGMS, ta druga warstwa jest w becie), sygnałach AIS ze statków oraz pojazdach współdzielonych. Dane z samolotów ADS-B i pogoda kosmiczna służą jako uzupełnienie.

Ryzyko jest szacowane z typu zakłócenia, prawdopodobieństwa i natężenia, a na mapie widać ostatnie 24 do 72 godzin. Jamming i spoofing mają różne kolory, krycie oznacza pewność strefy, a poświata natężenie.

Skąd wziąć dane z ziemi na większą skalę?

Najlepszym czujnikiem jest urządzenie, które faktycznie znajduje się w danym miejscu. Dlatego powstaje aplikacja mobilna, która w tle mierzy liczbę widocznych satelitów i siłę sygnału, a na mapę przesyła zagregowany wskaźnik powiązany z przybliżonym obszarem, anonimowo i bez historii tras. Udział jest dobrowolny, a mierzenie ma być na tyle oszczędne, by nie wyczerpywać baterii. Testerzy zyskują wczesny dostęp, wpływ na działanie aplikacji i status współtwórców. Chętni zgłaszają się przez formularz dostępny na stronie projektu.

Zastrzeżenie: czystyGPS to narzędzie pomocnicze w fazie beta i nie zastępuje DroneTower ani NOTAM. Brak strefy oznacza brak potwierdzonych danych, nie dowód czystego sygnału.

Najczęstsze pytania

Czy zagłuszarka działa na całą okolicę?

Zasięg zależy od mocy nadajnika, terenu i wysokości. Przy ziemi zwykle ogranicza go widoczność w linii prostej, więc zjawisko bywa lokalne.

Dlaczego spoofing jest trudniejszy niż jamming?

Wymaga imitowania sygnałów satelitów tak, by odbiornik uznał je za prawdziwe. Za to jego skutki trudniej zauważyć, bo odbiornik nie zgłasza utraty sygnału.

Czy mapa jest bezpłatna?

Tak. Działa w przeglądarce i nie wymaga zakładania konta.

Artykuł zewnętrzny